CC BY
8
УДК 620.178.179.119
Л. Й. вщенко, В. В. Циганов, С. В. Лоскутов, С. В. Сейдаметов
ВПЛИВ ТРИВИМ1РНОГО НАВАНТАЖЕННЯ НА ЕНЕРГЕТИЧНИЙ СТАН ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ
ДЕТАЛЕЙ ГТД
Розглянуто знос та енергетичний стан поверхневого шару 3pa3Kie тсля тертя з триви-MipHUM навантаженням. Аналiзом розподыу величини роботи виходу електротв по по-верхнi, шорсткостi та топографа поверхт, а також методом рентгеноструктурного ана-лiзу визначено вплив умов контактноь взаемоди на зносостшккть i стан поверхневого шару. Показано, що змта характеру навантаження супроводжуеться змтою зносостш-костi та мжрогеометри поверхт, що визначаеться енергетичним станом поверхневого шару i може бути оцтена величиною роботи виходу електротв по поверхт. Це дозволяе визначити дыянки поверхнi, як отримали рiзний ступть пластичноi деформаци.
Бшьша частина деталей трибоз'еднань машин та мехашзм1в таких, як, наприклад, анти-в1брацшт полищ лопаток вентилятора газотур-бшного двигуна, працюе в умовах складного, часто тривим1рного навантаження, ввд якого в значнш м1р1 залежить законом1ртсть розподту р1зних матер1ал1в за зносостшкютю. Ця зно-состшюсть значно ввдрГзняеться ввд те!, яка мае мтсце при однонаправленому або двовимрному навантаженн1. Пвд час експлуатаци у поверхне-вому шар1 металу ввдбуваються змши, як при-зводять до втрати працездатносп деталь
Ввдомо, що пвд час тертя максимальн напру-ження виникають у мжрообГемах поверхневого шару. При цьому у кожному мжрообГем проходить циклчна змша напружень, що створюе умо-ви до прояву ефекту Баушингера. У поверхневих шарах матер1алу виникае деструкцшне дефор-мування — накопичення мiкроскопiчних пошкод-жень. У зв'язку з дискретн1стю контакту це ввдбу-ваеться неодночасно 1 залежить ввд ступеню дис-кретносп та умов тертя. Одночастсть деформаци та дифузи елеменпв середовища призводять до особливостей механ1зму пластично! деформаци, який визначаеться активащею поверхневого шару 1 пвдвищенням дефектност структури ме-тал1в [1].
Однак, особливосй та специф1чшсть механз-му пластично! деформац1! пвд час тертя в умовах складного навантаження до цього часу не дозволили розробити ф1зичт основи та розкрити за-коном1рност1 поверхневого руйнування. Для пвдвищення довгов1чност1 деталей трибоз'еднань, що працюють за умов тривитрного навантаження, потрiбнi додатков1 дослвдження, яй дозволили б розкрити мехатзм процесу руйнування, змiни властивостей поверхневого шару та обГрунтува-ти вибiр конструктивно-технологiчних заход1в. Необхвдно визначити також ступшь впливу ста-
ну пластично-деформованого металу, його дест-рукц1! на ступшь придатносп до експлуатаци.
Згвдно з дослвдженнями [2], процеси тертя та зношування залежать в значнш мiрi ввд елект-ронно! будови метал1в. Умовою штенсивного схоп-лювання, а отже, й штенсивного зношування пвд час тертя е обмш електронами атом1в метал1в пари тертя з утворенням стабтьних у енергетич-ному вiдношеннi електронних конфцурацш. Iнтенсивнiсть зносу мiнiмальна, якщо атоми ме-талiв пари тертя характеризуються великою час-ткою нелокалiзованих (вшьних) електронiв. В цьому випадку мщтсть утворених пвд час тертя зв'языв невелика, вони легко руйнуються при взаемному перемiщеннi поверхонь. Таким чином, нелокалiзованi електрони, якi знаходяться у вшьному станi, утворюють своерiдне електронне мастило i спостерггаеться безперечна корелящя мiж антифрикцшними характеристиками та особ-ливостями електронно! будови метал1в. Бшьш того, величина лшшного зносу визначаеться шгенсив-тстю електронного обмГну та мщтстю фрик-цшних зв'языв, обумовлених енергетичною ста-бшьтстю утворених в результата цього обмГну електронних конфцурацш
Одним з найбшьш шформативних методiв визначення змши енергетичного стану поверхневого шару магерiалiв, яй взаемодгють пвд час тертя, е аналз розподту величини роботи виходу електрошв (РВЕ) по поверхт. Цей параметр необхвдний при розрахунках поверхнево! енерги твердих т1л. На змш РВЕ засновано один з на-прямыв вивчення складних за своею природою фГзико-хГмГчних процесiв, як протжають у зон контакту пар тертя [3].
Величина РВЕ — одна з фундаментальних характеристик речовини в конденсованому мета-левому стат, фГзико-хГмГчних Г механiчних властивостей металГв. Цю характеристику викорис-
© Л. Й. 1вщенко, В. В. Циганов, С. В. Лоскутов, С. В. Сейдаметов, 2009 ISSN1727-0219 Вестник ддвигателестроения № 1/2СЮ9
товують при вивчент явищ деформаци i руйну-вання металевих Tin, а також явищ адсорбци та десорбцл. Наявнiсть вщносно простих метод1в i засоб1в, як дозволяють проводити и визначення безконтактно i без будь-яких додаткових дш на вимiрювану поверхню, робить и досить приваб-ливою в плат дослдження поверхонь металв i сплав1в, деформованих, в тому числ i тертям.
Формула, яка пов'язуе величину роботи ви-ходу електрон1в з поверхневою енергieю металу мае вигляд [4]:
3 ( D ^ Уб
а = 1,15-1031 z-j I Ф, (1)
де а — поверхнева енерпя; z — ктьйсть валент-них електрон1в на атом; D — густина; A — атомна вага; ф — робота виходу.
Отже, вимiрюючи величину РВЕ по поверхт металу та за допомогою формули (1) можна кшькюно оцшити змшу його поверхнево! енерги.
Як метод вимрювання РВЕ в роботi викори-стовувався метод динатчного конденсатора Кель-вша [5], в якому витрювання проводиться за контактною рiзницею потенщалв, що виника-ють м1ж витрюваною поверхнею i поверхнею еталонного зразка. Вимрюваний i еталонний зраз-ки формують плоский конденсатор i не контак-тують механiчно м1ж собою, але при цьому мож-ливим е ефективний обмш електронами пвд дiею рiзницi роботи виходу електронв використаних металв.
Вимiрювання контактно! рiзницi потенщалв в цш роботi виконувалися при атмосферному тиску. Частота коливань електроду-еталону iз золота складала 500 Гц, дiаметр 1,4 мм. Розподш РВЕ визначали скануванням з кроком 0,2 мм по однш лшл в центрi робочо! поверхт зразыв з точнiстю до 1 меВ. Зразки перед вимiрюваннями протиралися спиртом i витримувалися протягом одте! доби до встановлення термодинамiчно р1вноважного стану поверхт.
Методами рентгеноструктурного аналзу було дослщжено макро- та мжроструктуру зразк1в зi сплаву титана ВТ8. Рентгеноструктурний аналз зразюв виконувався на дифрактометрi ДРОН-3М, який працюе на лшл з ПК. Використовували монохроматичне випромшювання лшл CoKß. Остаточн макронапруження розраховувались методом «29—sin2y». Для розрахунку розмiрiв областей когерентного розаювання D та величини мшроскотчних деформацш е використовували метод гармончного аналзу форми рентген1всь-ких лшш [6]. Робочими воображениями служили лшл (102) та (213). За отриманими експери-ментальними даними розраховувались коефще-нти Фур'е для дослщжуваних зразив та для ета-лона (зразок тсля вакуумного вщпалу). Розра-
хунки виконувалися за спецiально розробленою програмою на комп'ютерь
Було проведено випробування на знос зразыв з1 сплав1в ВТ20, ХТН-61, 60С2А, як вим1рюва-лись на стенд1 [7] при двовим1рному (удар1 з проковзуванням) та тривимрному навантаженнi (проковзувант у двох взаемо перпендикуляр -них площинах та удар1). Умови проведення вип-робувань: амплтуда поперечних прослизань 0s0,2 мм; амплгтуда поздовжтх прослизань 0,1 мм; частота поперечних прослизань 30 Гц; частота поздовжтх прослизань 66 Гц; нормальне навантаження 20 Н, час дослвджень 2 s4 години.
Як показали дослди, для вс1х трьох дослвд-жуваних сплав1в ВТ20, ХТН-61, 60С2А з тдвищенням амплтуди поперечних проковзу-вань ввд 0 до 0,2 мм зростае об'емна штен-сивтсть зношування та знижуеться шорстктсть поверхнi (рис.1 та табл. 1). Об'емна штенсивтсть зношування знаходилась як вщношення об'ему зношеного матер1алу до шляху тертя. Оцшка шорсткосп поверхт зразкв тсля випробувань проводилась на проф1лометр1-проф1лограф1 «Кал1бр 201».
Бшьш детально топографтю поверхнi зразкв визначали на безконтактному 3Б профшограф1 «Мжрон-альфа» за методикою Нацюнального ав1ацшного утверситету [8]. Як показують результат дослвджень зразыв, з пвдвищенням амплтуди поперечних проковзувань ид час тертя ввд 0 до 0,2 мм, шорсткють поверхт знижуеться у поперечному напрямку ввд 1,3 до 10 раз1в; у поздовжньому напрямку — ввд 1,3 до 2 раз1в для вс1х дослвджених матерiалiв (60С2А, ХТН-61, ВТ20). При цьому однорвднють поверхонь щдви-щуеться. Наявтстъ поперечних прослизань пвд час тривимiрного навантаження призводить до ут-ворення поверхнi меншо! шорсткостi без явних поздовжтх рисок, що наглядно можна побачити на 3Б моделях поверхонь (рис. 2 та 3).
Рис. 1. Залежтсть штенсивност! зношування вщ ампштуди поперечних прослизань
1 — сплав ВТ20; 2 — сплав ХТН-61; 3 — сталь 60С2А
В процес деформаци тертям вщбувалася структурна еволющя поверхт меташв, що вГдоб-ражуеться в зменшент величини та розкиду РВЕ по поверхт (рис. 4 та 5).
Аналопчш результати були отримат для зразыв зГ стал марки 60С2А та сплаву титана ВТ20.
Таблиця 1 — Результати випробувань при двовимрному та тривимрному навантажент
Матерiал зразка Апоп,мм V, мм3 Яг, мкм Ятах, мкм Ь, м 10-3, мм3/м
0,06 0,585 6,0 14,0 1776 0,33
ВТ20 0,17 1,074 4,5 12,0 2496 0,43
0,20 0,949 6,0 10,5 1920 0,49
0 0,041 6,5 11,0 960 0,04
ХТН-61 0,01 0,099 10,0 26,0 1164 0,09
0,05 0,139 8,5 16,0 1368 0,10
0,10 0,112 8,0 11,0 1056 0,11
0 0,052 3,0 9,7 1920 0,03
60С2А 0,03 0,090 5,0 9,5 2496 0,04
0,06 0,033 3,0 4,0 1104 0,05
0,08 0,071 1,0 1,5 1920 0,05
Примтка: Вшах, — параметри шорсткостi; V — об'емний знос; Ь — шлях тертя; 1у — об'емна ттен-сивтсть зношування.
Рис. 2. ЗО модель поверхт зразка з1 стал1 ХТН-61 тсля зносу з двовим1рним навантаженням (Апоп = 0 мм)
4,5
_I_I_I_I_I_I_I_I
01234 5 673
1. Ш1
Рис. 4. Розподл РВЕ вздовж поверхт зразюв з1 сплаву ХТН-61 тсля зносу з р1зною ампл1тудою поперечних прослизань
1 — Апоп= 0 мм; 2 — Апоп = 0,05 мм; 3 — Апоп = 0,1 мм
Рис. 3. ЗО модель поверхн1 зразка з1 стал1 ХТН-61 п1сля зносу з тривим1рним навантаженням (Апоп = 0,05 мм)
- НЯ-
Рис. 5. Розподл дисперсц РВЕ вздовж поверхн1 зразкГв з1 сплаву ХТН-61 п1сля зносу з р1зною ампл1тудою поперечних прослизань
1 — Апоп = 0 мм; 2 — Апоп = 0,05 мм; 3 — Апоп = 0,1 мм
1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2СЮ9
— 63 —
Як видно з рис. 4, стан поверхневого шару зразк!в до тертя приблизно однаковий 1 визна-чаеться РВЕ близько 4,10 еВ. В результат! тертя з р!зною амплтудою поперечних прослизань стан поверхневого шару зразк!в змшювався. Тертя з двовимрним навантаженням (Апоп = 0) призво-дить до отримання поверхневого шару з пдви-щеним та великим розкидом РВЕ ввд 3,90 до 4,40 еВ. Це пов'язано з тим, що виникае новий структурний стан поверхт, близький до аморфного, тому РВЕ збшьшуеться.
Шдвищення амплтуди поперечних просли-зань призводить до зменшення величини та роз-киду РВЕ. При випробуваннях на тертя з Апоп = 0,05 мм РВЕ монотонно зменшуеться з 4,10 до 4,00 еВ, розкид в значеннях РВЕ при цьому скла-дае штервал 3,90...4,10 еВ. Поверхневий шар зразк!в тсля тертя з тривим1рним навантаженням з Апоп = 0,1 мм забезпечуе РВЕ ввд 3,95 еВ до 4,05 еВ (см. рис. 5). Збшьшення амплтуди по-перечних прослизань призводить до зменшення дисперси РВЕ. Зменшення розкиду в значеннях РВЕ вказуе на тдвищення при цьому одно-радносп структури поверхневого шару.
Зниження РВЕ при збтьшенн амплтуди поперечних прослизань можливе тому, що п1д час випробувань на тертя пвд впливом зовншнх змшних напружень вщбуваеться зародження дислокацш, яш рухаються в пересчних системах ковзання. Частина з них виходить на поверхню металу. В результат! виходу дислокац!й на поверхню утворюються дислокац!йн! сходинки. Ввдомо, що ц! сходинки несуть електричний заряд !, отже, утворюють елекгричн! дипол! [9]. Вне-сок дипол!в дислокац!й призводить до зменшення РВЕ, що знижуе зносост!йк!сть дослвджуваних поверхонь.
Рентгеноструктурн! дослвдження зразк!в з! сплаву титана ВТ8 показали, що з! збшьшенням амплтуди поперечних прослизань зменшуеться величина остаточних стискуючих макроскопч-них напружень та м!кроскоп!чних деформац!й (табл. 2). Розм!ри областей когерентних розсю-вань для дослдав з Апоп = 0 та 0,06 мм майже однаков!, В = 291 та 293 мм, вщповщно. Однак подальше пщвищення амплтуди поперечних прослизань до 0,2 мм призводить до зменшення розтр!в областей когерентних розстовань до 230 нм.
Можна припустит, що стан реально! поверхт металгв зв'язаний з формуванням у поверхнево-му шар! кристалшв з р!зними мщнсними та де-формацшними властивостями, внаслщок р!зно! щльност! дислокацш. Це супроводжуеться наяв-н!стю на поверхт певних електричних диполь-них моменпв ! локальних електричних зарядов, що визначають величину електростатичного ба-р'ера в робот! виходу електронв. Унаслщок неоднородно! буд!вл! металево! поверхн! виникае
Таблиця 2 — Дан! розрахунку параметр!в макро- та мшроструктури зразк!в з! сплаву титана ВТ8 тсля юпипв на тертя при р!зних амплту-дах поперечних прослизань
Апоп, мм о, МПа О, нм е, 10-5
0 -532 291 -1,44
0,06 -467 293 -1,93
0,2 -446 230 -2,30
Примтка: а — остаточш стискуючи макронапру-ження; В — розмiр областей когерентного розсжвання; е — остаточт мжроскотчш деформацп.
вщповвдний рельеф електростатичного бар'ера, обумовлений розходженням РВЕ для р!зних дшя-нок поверхн!. Таким чином, для дано! поверхн! металу характерний енергетичний рельеф, обу-мовлений через розподт РВЕ по поверхн!.
П!двищення однорщност! м!крогеометр!! поверхн! та неминуче пщвищення при цьому пло-щини контакту зразк!в п!ц час тертя з тривимр-ним навантаженням, а також стан структурно! однор!дност! поверхневого шару за розмром кри-сталiтiв та !х мщнсними та деформац!йними властивостями е найбшьш !мов!рною причиною розб!жностей отриманих результат!в дослдав та наведених вище у робот! [2] висновив. Визна-чення ч!тко! залежносй м!ж величиною РВЕ та зносостшкютю метал!в потребуе додаткових дос-лвджень з урахуванням умов навантаження пвд час тертя та зм!ни при цьому однорвдносп по-верхневого шару. В цьому випадку величина РВЕ зможе виступати м!рою структурно! однор!дност! поверхневого шару.
Залежнсть величини РВЕ в!д шорсткост! поверхн! також нелшшна [10] ! визначаеться роз-м!ром зерен, умовами впливу на поверхню та механчними властивостями поверхневого шару. Але пвд час тертя з тривимрним навантаженням в умовах проведення випробувань пвдвищення амплтуди поперечних проковзувань призводить до зниження шорсткост! та пвдвищення одно-рвдносп м!крогеометр!! поверхонь. При цьому знижуеться величина та розкид РВЕ по поверхн!. Можна припустити, що зменшення РВЕ ввдбу-ваеться в результат! дезор!ентацп та роздр!бнен-ня блок!в ! зерен металу (що пвдтверджують ре-зультати ренпенодифрактомегричних дослщжень), !нтенсивним утворенням дефект!в ! нових поверхонь. Однак при великш щиьносп дислокац!й пвдсилюеться !хня взаемод!я, ввдбуваеться !хне закршлення, що у свою чергу утруднюе вихвд на поверхню металу нових дислокацш ! супутнх дефекпв. Клькютъ активних центр!в на поверхн! з малою РВЕ перестае наростати, досягнувши насичення, ! величина РВЕ стаб!л!зуеться.
Таким чином, деформащиМ процеси на поверхт тертя в залежносп вщ умов навантаження призводять до змши поверхневого шару та мткро-геометри поверхт Щ змши можжливо зареестру-вати за допомогою визначення величини РВЕ. Поргвнюючи вихщний енергетичний рельеф (до дослщжень на деформування) з рельефом тсля деформування, можна визначити дшянки поверхт, як отримали р1зний ступшь пластично! деформаци. Встановлено, що наявнсть попереч-них прослизань пд час тертя з тривим1рним навантаженням спричиняе утворення однородного поверхневого шару з бшьш р1вном1рною мгкро-геометр1ею поверхонь, що супроводжуеться зни-женням величини та розкиду РВЕ по поверхт. Рентгенодифракгометричт досл1дження щдтвер-джують припущення, що зменшення РВЕ вщбу-ваеться в результат! дезорiентацiï та роздр!бнен-ня блоыв i зерен металу.
Враховуючи отриман! залежност!, визначення енергетичного стану поверхонь деталей трибоз'еднань дозволить прогнозувати !х довгов!чнють та дасть можлив!сть управляти зношувальною здатнютю матер!ал!в технолог!чними методами, скоротити термш прироб!тку деталей в умовах фрикцшно-контактно! взаемоди i тим самим пдвищити ефективн!сть експлуатаци машин та мехаМзмгв.
Перелж посилань
1. Рыбакова Л. М. Структура и износостойкость металла / Л. М. Рыбакова, Л. И. Куксенова. — М. : Машиностроение, 1982. — 212 с.
2. Самсонов Г. В. Антифрикционные характеристики и электронное строение металлов / Г. В. Самсонов, А. А. Запорожец // Проблемы
трения и изнашивания. — К. : Техника, 1971. - № 1. — 48 с.
3. Марков А. А. Измерение работы выхода электрона при трении / А. А. Марков — В кн. : Электрические явления при трении, резании и смазке твердых тел. — М. : Наука, 1973. — 28 с.
4. Задумкин, С.Н. Работа выхода и поверхностная энергия металлов / С. Н. Задумкин,
B. Г. Егиев // Физика металлов и металловедение. — 1966. — Т. 1, № 2. — С. 121—122.
5. Вудраф Д. Современные методы исследования поверхности : [пер. с англ.] / Д. Вудраф, Т. Делчар. — М. : Мир, 1989. — 564 с.
6. Горелик С.С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ / С. С. Горелик, Л. Н. Расторгуев, Ю. А. Скаков. — М. : Металлургия, 1970. — 156 с.
7. Циганов В. В. Зв'язок структурного стану поверхневого шару та зносостшкосп деталей трибоз'еднань при тривимрному навантажент / В. В. Циганов, Л. Й. 1вщенко // Вгсник дви-гунобудування. — 2008. — № 2. — С. 57—62.
8. Игнатович С.Р. Контроль качества поверхности с использованием интерференционного профилометра / С. Р. Игнатович, И. М. Закиев // Винахщник и ращонатзатор. — 2007. — № 6. —
C. 8—11.
9. Алехин В. П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов / В. П. Алехин. — М. : Наука, 1983. — 280 с.
10. Лоскутов С. В. Влияние механических обработок металлической поверхности на формирование энергетического рельефа / С. В. Лоскутов // Вюник двигунобудування. — 2006. — № 2. — С. 109—112.
Поступила в редакцию 28.01.2009
Рассмотрен износ и энергетическое состояние поверхностного слоя образцов после трения с трехмерным нагружением. Анализом распределения величины работы выхода электронов по поверхности, шероховатости и топографии поверхности, а также методом рентгеноструктурного анализа определено влияние условий контактного взаимодействия на износостойкость и состояние поверхностного слоя. Показано, что изменение характера нагружения сопровождается изменением износостойкости и микрогеометрии поверхности, что определяется энергетическим состоянием поверхностного слоя и может быть оценено величиной работы выхода электронов по поверхности. Это позволяет определить участки поверхности, которые получили разную степень пластической деформации.
The article is dedicated to wear-out and energy state of a sample surface layer after friction with three-dimensional loading are addressed. The influence of contact interaction conditions on wear-resistance and the surface layer condition are determined by the analysis of electron work function distribution over the surface, the surface roughness and topography analysis, and X-ray structure analysis as well. The article shows the loading character modification accompanied with the modification of surface wear-resistance and micro geometry, which is determined with energy state of a surface layer and can be estimated with the value of electron work function on the surface. It makes it possible to determine the surface parts that received plastic deformation of a different degree.
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2СЮ9
— 65 —
